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문제 정의
- 본 연구는 이러한 관점에서 현재 수도권매립지에서 운영 중인 매립장에 대하여 현장의 여러 제약요인을 감안하여 가장 최적의 매립가스 발생 모델 적용기법에 대하여 연구하였다. 즉, 모델링 결과 값과 실제 현장 실측자료와의 편차를 최소화하기 위한 방안으로 몬테카를로법을 동 모델에 적용함으로써 향후 매립장의 메탄가스 발생 예측의 정합도를 보다 높일 수 있는 방법론을 제시하고자 하였다.
- 본 연구는 이러한 관점에서 현재 수도권매립지에서 운영 중인 매립장에 대하여 현장의 여러 제약요인을 감안하여 가장 최적의 매립가스 발생 모델 적용기법에 대하여 연구하였다. 즉, 모델링 결과 값과 실제 현장 실측자료와의 편차를 최소화하기 위한 방안으로 몬테카를로법을 동 모델에 적용함으로써 향후 매립장의 메탄가스 발생 예측의 정합도를 보다 높일 수 있는 방법론을 제시하고자 하였다.
제안 방법
- 최적의 난수발생 폭을 결정하기 위하여 난수가 발생 가능한 범위를 최초 k의 상하로 최소 1/7에서 최대 7배까지 단계별로 증가시켰다. 그리고 각 단계별로 1만회씩 모델링을 하면서 각 단계에서의 최소 MD를 나타내는 L, k 조합을 선정하였고, 이들 MD가 더이상 크게 감소하지 않고 일정수준으로 수렴하는 난수발생 폭을 결정하였다. 그리고 이때의 난수발생 폭과 최적 L, k를 대상으로 다시 10만회의 시뮬레이션을 하였으며, 이때 최소의 MD를 나타내는 L, k2 조합을 최종적인 모델 입력조건 및 모델링 결과 (M_R4.
- 그리고 각 단계별로 1만회씩 모델링을 하면서 각 단계에서의 최소 MD를 나타내는 L, k 조합을 선정하였고, 이들 MD가 더이상 크게 감소하지 않고 일정수준으로 수렴하는 난수발생 폭을 결정하였다. 그리고 이때의 난수발생 폭과 최적 L, k를 대상으로 다시 10만회의 시뮬레이션을 하였으며, 이때 최소의 MD를 나타내는 L, k2 조합을 최종적인 모델 입력조건 및 모델링 결과 (M_R4.5_F)로 결정하였다. 모델링시스템과 제어프로그램 등은 visual basic application을 사용하여 작성하였으며 전체 모델 정합도 제고를 위한 작업방법과 절차는 Fig.
- 따라서 모델링 결과 값에 대한 정합도 평가와 보정은 모든 메탄 발생량에 대한 측정값이 존재하는 2005년부터 2014년까지의 10년간을 대상으로 하였다. 그리고 포집량과 간이소각기 소각량은 매립가스의 온도를 그리고 표면발산량의 경우는 LS2가 소재한 인천지역의 연평균 기온을 적용하여 표준상태 메탄의 부피로 온도보정을 하였다[27].
- 따라서 모델입력 요소중 실제적으로 조정 가능한 요소들에 대하여 보정하지 않는다면 모델링 자체가 큰 의미가 없게 된다. 모델 보정 작업을 위한 기준 모델링 조건으로는 상대적으로 평균편차가 작은 M2를 선택하였으며, 이후 이를 대상으로 모델 정합도 향상을 위한 작업을 진행하였다.
- 수도권매립지 제2매립장에 대하여 획득 가능한 모든 모델 입력요소를 반영하여 두 가지 방식으로 모델링 하였다. 모델링 결과, 모델링 값과 실측 메탄 발생량과의 총 평균편차 (MD)는 각각 25.
- 이를 위해 먼저 L의 난수발생 폭을 ±20%하되 k에 대한 난수발생 폭을 단계별로 k의 1/7 ∼7 배까지 증가시키면서 각 단계별로 1만회의 모델시뮬레이션을 하였고, 이 때 최소 MD를 보이는 L, k 조합을 구하였다.
- k가 모델의 모든 구성요소들로부터 파생되는 오류와 오차 요인들에 대한 조정기능을 부여받게 될 경우 k에 대한 난수발생 폭은 최적 L, k2 조합을 위해 확장되어야 한다. 최적의 난수발생 폭을 결정하기 위하여 난수가 발생 가능한 범위를 최초 k의 상하로 최소 1/7에서 최대 7배까지 단계별로 증가시켰다. 그리고 각 단계별로 1만회씩 모델링을 하면서 각 단계에서의 최소 MD를 나타내는 L, k 조합을 선정하였고, 이들 MD가 더이상 크게 감소하지 않고 일정수준으로 수렴하는 난수발생 폭을 결정하였다.
대상 데이터
- 포집량의 경우는 2001년부터 측정되었으나 표면발산량은 2005년부터 측정되었다. 따라서 모델링 결과 값에 대한 정합도 평가와 보정은 모든 메탄 발생량에 대한 측정값이 존재하는 2005년부터 2014년까지의 10년간을 대상으로 하였다. 그리고 포집량과 간이소각기 소각량은 매립가스의 온도를 그리고 표면발산량의 경우는 LS2가 소재한 인천지역의 연평균 기온을 적용하여 표준상태 메탄의 부피로 온도보정을 하였다[27].
- 모델은 상기의 난수발생 폭 내에서 총 10만회의 시뮬레이션을 하였다. 그리고 각 시뮬레이션마다 2005년부터 2014년간 실측된 메탄의 연간 총 발생량과 모델링 결과 값 사이의 식 (5)의 평균 편차를 계산하였으며, 총 10만개의 L, k 조합 중에서 평균편차가 가장 작게 발생하는 L, k를 모델링시의 입력 L, k로 선정하였다.
- 연구대상 매립지는 수도권매립지내 제2매립장(LS2)이다. LS2는 2000년 10월부터 매립을 시작하였으며, 2018년말 매립이 종료될 것으로 예상되고 있다.
데이터처리
- 모델은 상기의 난수발생 폭 내에서 총 10만회의 시뮬레이션을 하였다. 그리고 각 시뮬레이션마다 2005년부터 2014년간 실측된 메탄의 연간 총 발생량과 모델링 결과 값 사이의 식 (5)의 평균 편차를 계산하였으며, 총 10만개의 L, k 조합 중에서 평균편차가 가장 작게 발생하는 L, k를 모델링시의 입력 L, k로 선정하였다.
이론/모형
- LS2는 2000년 10월부터 매립을 시작하였으며, 2018년말 매립이 종료될 것으로 예상되고 있다. LS2에 식 (1)의 매립가스 발생모형을 적용하였으며, 몬테카를로법을 적용하기 전에 기존 방식에 의하여 두 가지의 모델링을 수행하였다. 즉, 첫 번째 모델링 (M1)은 수도권매립지 연구결과[22]에 따른 L과 k 값을 적용하였고, 두 번째 모델링 (M2)의 경우는 L 은 M1의 경우와 동일한 값을 그리고 k는 조성이 전혀 다르거나 자료가 없는 경우를 제외하고는 IPCC[23] 제공 값을 적용하였다.
- LS2에 식 (1)의 매립가스 발생모형을 적용하였으며, 몬테카를로법을 적용하기 전에 기존 방식에 의하여 두 가지의 모델링을 수행하였다. 즉, 첫 번째 모델링 (M1)은 수도권매립지 연구결과[22]에 따른 L과 k 값을 적용하였고, 두 번째 모델링 (M2)의 경우는 L 은 M1의 경우와 동일한 값을 그리고 k는 조성이 전혀 다르거나 자료가 없는 경우를 제외하고는 IPCC[23] 제공 값을 적용하였다. 초기 두 가지 모델링에 적용한 L, k 값, 2000년 10월부터 2014년 12월까지 총 매립 폐기물량은 Table 2와 같다.
성능/효과
- L에 대한 난수발생 폭을 ±20%로 고정한 상태에서 k에 대한 난수발생 폭을 M_IPCC1과 M_IPCC2에서 적용한 폭 이상으로 증가시키지 않는다면 모델에 대한 더 이상의 정합도 향상은 불가능하였다.
- M1과 M2에 의한 총 메탄 발생량은 실측값인 1,587×106 Nm3에 비하여 각각 +46.8%와 –13.0%이었으며, 총 평균편차는 25.6%과 19.8%이었다.
- 5_F)이다. MD는 6.6% 이었고, 총 실측된 메탄 발생 총량과의 편차는 +2.1% 수준으로 나타나는 등 모델의 정합도가 크게 향상되었다.
- 5% 이었으나, MD는 M_IPCC1가 M_IPCC2 보다 작았다. 그러나 비록 M2에 의한 최초 모델링 결과보다 MD가 크게 줄었으나 M_IPCC1은 11.7% 그리고 M_IPCC2는 13.6%로 두 경우 모두 MD가 10%가 넘었다.
- 따라서 LS2에 대한 일차분해모델의 적용 시 몬테카를로법의 적용을 위한 난수발생 폭을 L은 ±20%, 그리고 k는 1/4.5∼4.5 배를 적용하여 k2를 도출하는 것이 최적임을 알 수 있었다.
- 수도권매립지 제2매립장에 대하여 획득 가능한 모든 모델 입력요소를 반영하여 두 가지 방식으로 모델링 하였다. 모델링 결과, 모델링 값과 실측 메탄 발생량과의 총 평균편차 (MD)는 각각 25.6%, 19.8% 그리고 총 발생량의 실측값에 대한 차이는 +46.8%와 -13.0%에 달하여 정합도가 매우 낮게 나타났다. 편차가 상대적으로 작은 두번째 모델링 조건에 IPCC의 불확도 범위를 다시 두 가지 방식으로 적용하여 정합도를 향상한 결과, MD는 각각 11.
- 1% 수준으로 크게 감소하였다. 연구결과, 모델 입력자료 확보의 현실적인 제한성을 극복하기 위한 방안의 하나로서 운영 중인 매립장에 있어서는 k에 대한 보다 확장된 개념과 몬테카를로법의 적용이 모델링 결과의 정합도 향상에 유용함을 확인할 수 있었다.
- 5는 동 조합에서의 모델링 결과이다. 총 메탄 발생량에 있어서 측정값과 모델링 결과 값의 차이는 M_IPCC1 +6.8%, M_IPCC2 -2.5% 이었으나, MD는 M_IPCC1가 M_IPCC2 보다 작았다. 그러나 비록 M2에 의한 최초 모델링 결과보다 MD가 크게 줄었으나 M_IPCC1은 11.
- 6%로 개선되었으나 여전히 10%가 넘게 나타났다. 추가적인 모델의 정합도 향상을 위해 메탄 생산 잠재력 L과 반응 속도 상수 k의 최적조합을 찾기 위해 몬테카를로법을 사용하고 특히, k가 모델 구성요소들이 가지는 오류와 오차요인의 최종 조정 역할을 하도록 한 결과, MD는 6.6%, 총 메탄 발생량의 실측값과의 차이도 +2.1% 수준으로 크게 감소하였다. 연구결과, 모델 입력자료 확보의 현실적인 제한성을 극복하기 위한 방안의 하나로서 운영 중인 매립장에 있어서는 k에 대한 보다 확장된 개념과 몬테카를로법의 적용이 모델링 결과의 정합도 향상에 유용함을 확인할 수 있었다.
- 0%에 달하여 정합도가 매우 낮게 나타났다. 편차가 상대적으로 작은 두번째 모델링 조건에 IPCC의 불확도 범위를 다시 두 가지 방식으로 적용하여 정합도를 향상한 결과, MD는 각각 11.7%와 13.6%로 개선되었으나 여전히 10%가 넘게 나타났다. 추가적인 모델의 정합도 향상을 위해 메탄 생산 잠재력 L과 반응 속도 상수 k의 최적조합을 찾기 위해 몬테카를로법을 사용하고 특히, k가 모델 구성요소들이 가지는 오류와 오차요인의 최종 조정 역할을 하도록 한 결과, MD는 6.
후속연구
- 따라서 매립이 예상되는 폐기물의 연도에 따른 성상별 양을 추정하고 각 폐기물 성상별 생물화학적 분해특성을 관련연구나 유사 매립장의 경우를 차용하여 적용해야 하므로 실제 매립장 운영 시에 발생하는 메탄의 양과는 상당한 차이가 있을 것이다. 그러나 어느 정도 운영이 진행되어 메탄 발생이 정상궤도 오른 매립장의 경우는 메탄 발생량 실측자료를 토대로 모델의 정합도 향상을 위한 보정과 검정이 필요하며, 이를 통해 향후의 메탄 발생량을 예측해야 한다. 특히, 매립종료 이후 사후관리기간이 법적으로 30년이므로 이러한 실측자료와의 편차를 최소화하기 위한 정합도 향상기법의 적용방안을 찾는 일은 매립장 운영기간 동안의 에너지 회수 사업뿐 아니라 매립종료이후의 메탄 발생량을 감안한 관련 사업의 경제적 운용 방안을 마련하기 위해서도 중요하다.
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